1.5.1. Chuẩn bị nguyên liệu ban đầu
Xơ visco được sản xuất dựa trên quá trình tái sinh xenlulo. Nguồn nguyên liệu chủ yếu và có ý nghĩa thực tiễn nhất để sản xuất xơ visco là bột gỗ tinh khiết từ các loại cây khác nhau (thông, bạch đàn, sồi, hạt dẻ, lãnh sam, vân sam…). Nguyên liệu thường được sử dụng để sản xuất xơ visco cũng có thể là: xơ bông phế thải hoặc vải vụn (chất liệu bông, lanh, đay, gai dầu), dây thừng (từ sợi lanh, đay, gai), giấy, bìa các tông có hàm lượng xenlulo cao được nghiền nhỏ rồi ép chặt thành dạng phiến, lá, tấm hoặc cuộn [4].
Bông xơ ngắn: là loại bông phế thải từ công nghiệp dệt, đã được loại
bỏ tạp chất sau đó được làm sạch bằng cách nấu với dung dịch xút và tẩy trắng bằng dung dịch natri hipoclorid có tác dụng làm cho xơ xốp hơn, khả năng hoạt động hóa học cao hơn. Sau công đoạn này, hàm lượng α xenlulo trong nguyên liệu sẽ tăng trung bình từ 91÷ 98,5%.
Bột gỗ: từ các loại cây khác nhau như bạch đàn, sồi, vân sam, lãnh
sam, thông, hạt dẻ, dương liễu, tre…. Nguyên tắc chính để tách xenlulo từ gỗ là dùng hóa chất để phá vỡ các mối liên kết giữa xenlulo và lignin, sau đó chuyển lignin vào dung dịch. Xenlulo thường được tách khỏi gỗ theo phương pháp sunfit hoặc sunfat. Theo phương pháp sunfit cây gỗ bị chẻ thành những mảnh vụn nhỏ được xử lý bằng canxi bisunfit chứa SO2 tự do sau đó những
Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật
mành gỗ vụn này được nấu dưới hơi áp suất ở nhiệt độ 130÷ 1500C trong khoảng thời gian 1÷ 4h để phân hủy và hòa tan các chất cặn, nhựa, lignin có trong gỗ, làm sạch gỗ. Khi dùng phương pháp sunfat, gỗ được nấu bằng dung dịch xút và natri sunfua, để giảm bớt tiêu hao hóa chất, người ta bổ xung thêm natrisunfat (Na2SO4) vào dung dịch nấu trong quá trình hoàn nguyên.
Để tẩy trắng gỗ sau khi nấu, người ta dùng clo. Trong quá trình tẩy, một phần clo sẽ clo hóa phần lignin chưa bị phá hủy khi nấu để chuyển hóa thành clo- lignin hòa tan trong kiềm. Đồng thời clo còn oxi hóa các hợp chất màu của gỗ làm cho xenlulo thành phẩm có màu trắng nhất định. Sau khi thu gom và được xử lý, làm sạch, loại bỏ tạp chất, loại bỏ keo pectin và ligin (nếu có) nguyên liệu được nghiền nhỏ thành bột nhờ phương pháp cơ học, hóa học hoặc nửa hóa học như tẩy, chuội. Cuối cùng bột gỗ được ép thành dạng lá hoặc tấm chứa 94÷ 95% xenlulo.
Xơ visco được sản xuất theo phương pháp kéo sợi ướt. Để chuyển đổi nguyên liệu thành xơ dệt, nguyên liệu phải được hòa tan trong một dung môi thích hợp mà từ đó nó có thể được tái sinh thành các sợi liên tục sau khi dung dịch đã được ép đùn qua một vòi phun.
1.5.2. Quy trình sản xuất xơ visco
Hiện nay để sản xuất xentulo tái sinh, trên thế giới sử dụng ba quy trình sản xuất chủ yếu sau đây :
- Quy trình visco; - Quy trình lyocell và
- Quy trình cuprammonium.
Quy trình sản xuất visco tương đối rẻ tiền và thông dụng nhất hiện nay. Luận văn này sẽ đi sâu nghiên cứu, tìm hiều về quy trình sản xuất visco. Quy trình sản xuất visco gồm 3 giai đoạn chính: chuẩn bị dung dịch kéo sợi, hình thành sợi và xử lý hoàn tất.
Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật
Trong quá trình sản xuất, đầu tiên bột gỗ được ngâm trong nước, sau đó được đun sôi với dung dịch kiềm NaOH tạo thành xenlulo kiềm. Sau đó chúng phải được làm sạch để thu được chủ yếu là xenlulo kiềm tinh khiết. Tiếp theo, xenlulo kiềm tinh khiết phản ứng với carbon disulphide tạo thành xenlulo kiềm xanthate. Sản phẩm này được hòa tan trong dung dịch kiềm loãng tạo thành dung dịch dùng trong quá trình kéo sợi. Do sự thủy phân một phần xenlulo kiềm xanthate thành xenlulo dẫn đến sự tăng độ nhớt dung dịch, cho đến khi dung dịch đạt được độ nhớt nhất định phù hợp cho quá trình kéo sợi. Tại giai đoạn kéo sợi, dung dịch này được lọc và bơm qua bộ phận tạo tơ vào bể đông tụ, làm đông tụ sợi, quy trình này được gọi là kéo tơ ướt. Thành phần hóa học trong bể đông tụ gồm axit sulphuric xấp xỉ 10%, và các phụ gia như natri và kẽm sulphate và một lượng nhỏ gluco. Những phụ gia này cùng một lúc làm chậm quá trình đông tụ lớp ngoài của tơ, để cho lớp ngoài và phần lõi của tơ đông tụ.
Về bản chất, trong quy trình sản xuất xơ visco, cấu trúc hóa học cơ bản của xenlulo không đổi, chủ yếu là quá trình hòa tan, biến tính và phân hủy, giảm số mắt xích trong phân tử xenlulo (phân tử xenlulo tái sinh chứa xấp xỉ 200÷ 300 đơn vị lặp lại so với 2000 đơn vị lặp lại trong nguyên liệu ban đầu). Chính vì vậy mà độ bền và sự định hướng của của các phân tử polyme trong xơ visco giảm đi nhiều so với cấu trúc tự nhiên của xơ bông.
Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật
Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật
Quy trình sản xuất xơ visco lần lượt được thực hiện qua các công đoạn cụ thể như sau:
Ngâm ướt: Để đảm bảo chất lượng đồng đều, các tấm xenlulo được
ngâm trong dung dịch NaOH nồng độ từ 17÷ 20% ở nhiệt độ từ 18÷ 250C trong thời gian 1÷ 4 giờ để dung dịch kiềm ngấm sâu vào xenlulo, xenlulo sẽ bị trương lên và chuyển hóa thành xenlulo kiềm. Công đoạn ngâm ướt có tác dụng như sau:
- Phá vỡ mối liên kết giữa các phân tử xenlulo để làm tăng khả năng hòa tan của xenlulo xanthate;
- Làm trương nở xơ xenlulo
- Quá trình chuyển hóa xenlulo thành xenlulo kiềm xảy ra trong suốt công đoạn ngâm ướt:
RCellOH + NaOH RCellO-Na+ + H2O (1) (C6H9O4OH)n + nNaOH (C6H9O4ONa)n + nH2O
Nén ép: Xenlulo kiềm trương nở được nén ép cơ học để loại bỏ dung
dịch kiềm NaOH dư. Xenlulo kiềm được nén cơ học tới khối lượng ướt gấp 2÷ 3 lần khối lượng bột gỗ ban đầu.
Nghiền (Cắt nhỏ): Trong thùng dung dịch, khối xenlulo kiềm được
nghiền (cắt) thành những mảnh vụn trắng nhỏ, mịn (white crumbs) để tăng diện tích tiếp xúc và khả năng phản ứng trong các công đoạn sau.
Già hóa (chưng hấp): Những mảnh vụn xellulo kiềm được chuyển
vào thùng chứa có nắp đậy để trải qua quá trình oxy hóa dưới sự kiểm soát nhiệt độ ở 18÷ 300C trong 48÷ 72h. Nhiệt độ càng cao thì tốc độ già hóa càng nhanh. Do các mảnh vụn xellulo kiềm nhỏ trắng có độ kiềm cao, xenlulo một phần bị oxy hóa, đây chính là quá trình phân tách polyme, trong quá trình già hóa, xenlulo kiềm bị giảm khối lượng phân tử.
Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật
Trộn (Xanthate hóa): Xenlulo kiềm đã bị già hóa lần đầu được trộn
và đánh tung, chưng hấp trong thùng có chứa khí CS2 ở nhiệt độ 20÷ 300C trong thời gian 4÷ 5h, tạo thành các nhóm ester xanthate. Khí CS2 cũng phản ứng với môi trường kiềm tạo ra tạp chất vô cơ sodium cellulose xanthate màu vàng sáng (Yellow crumb), đây chủ yếu là khối copolymer của xenlulo và xenlulo xanthate.
RCellO-Na+ + CS2 RCellOC S2
-
Na+ (xenlulo kiềm xanthate) (2) C6H9O4ONa + CS2 C6H9O4OCSSNa + Na2CS3
Bột xenlulo kiềm xanthate được hòa tan trong dung dịch NaOH bằng cách khuấy mạnh ở nhiệt độ 20÷ 300C. Do sự thủy phân, một phần xenlulo kiềm xanthate dẫn đến sự tăng độ nhớt cho đến khi dung dịch đạt được độ nhớt phù hợp với yêu cầu nhất định cho quá trình sản xuất tiếp theo. Dung dịch này có màu vàng như mật ong, có độ nhớt, sánh đặc.
(3) C6H9O4OCSSNa + NaOH dung dịch viscose Phản ứng phụ xảy ra như sau:
2CS2 + 6NaOH Na2CS3 + Na2CO3 + Na2S + 3H2O
Lọc: Nhằm loại bỏ bọt khí và các chất không hòa tan để tránh ảnh hưởng tới quá trình tạo tơ.
Chín muồi: Để xenlulo kiềm xanthate trong hầm chứa 4÷ 5 ngày ở
nhiệt độ 450C để có đủ độ chín, thuận lợi hơn cho quá trình ngưng tụ. Hai quá trình quan trọng xảy ra đó là sự phân phối lại và mất đi của các nhóm chức xanthate. Phản ứng xanthate thuận nghịch cho phép một số nhóm xanthate biến đổi thành hydroxide xenlulo và giải phóng CS2.
Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật
Phản ứng phân ly xanthate: CS2 mất đi làm giảm tính hòa tan của xenlulo, tạo điều kiện tái tạo xenlulo, các vùng định hình dần dần bị phá vỡ và thu được dung dịch hoàn thiện hơn.
RCellOCS2
–
RCellO- + CS2
Rexanthate (phản ứng phá vỡ các vùng định hình có OH của xenlulo giúp cho xenlulo dễ hòa tan hơn ):
RCellO- + CS2 RCellOCS2
– Transxanthation: RCellOCS2 - + RCell ′ OH RCell ′ OCS2 - + RCellOH
Kéo sợi ướt: Dung dịch visco được bơm tới và ép qua khuôn phun
tơ, tơ được kéo ra khỏi đầu phun và được định hình trong bể chứa dung dịch H2SO4, Na2SO4 và muối ZnSO4. Dưới tác dụng của hỗn hợp này, dung dịch visco bị đông cứng lại thành các filament.
RCellOCS2 Na + H2SO4 2RCellOH + CS2 + Na2SO4 (5) C6H9O4OCSSNa + H2SO4 C6H9O4OH + CS2 + Na2SO4 H2SO4 cần để trung hòa xenlulo kiềm xanthate; muối ZnSO4 biến đổi kiềm xanthate thành kẽm xanthate cùng kéo và pha lẫn trong chuỗi phân tử xenlulo; Na2SO4 có tác dụng giúp cho sự đông tụ của xơ visco trong bể dung dịch diễn ra nhanh hơn đồng thời từ sự phân hủy xenlulo xanthate thành xenlulo tái tạo (C6H9O4OH).
Kéo dài: Sau khi ra khỏi bể kéo sợi, sợi visco filament vẫn còn ở
trạng thái dẻo, các chuỗi mạch đại phân tử xenlulo còn chưa ổn định. Quá trình tái tạo chậm và kéo giãn làm cho các vùng định hình lớn nhất trong vòng xơ giảm đi, tạo cho sợi có độ mảnh đồng đều, tạo điều kiện cho các đại phân tử xenlulo được định hướng song song với trục sợi, hình thành liên kết hydro
Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật
theo phương ngang giữa các chuỗi phân tử làm ổn định cấu trúc và tăng độ bền cho sợi.
Giặt/ xử lý hoàn tất: Sợi visco filament được đưa qua bể giặt nhằm
làm sạch và loại bỏ các tạp chất còn bám trên sợi. Đối với sợi filament, sau khi giặt cần được chuội, làm bóng trước khi sấy khô và cuốn ống. Để sản xuất xơ visco stapen, các chùm xơ được cắt thành những đoạn xơ có chiều dài tùy theo yêu cầu trước khi sấy và đóng kiện.
Trong quá trình sản xuất xơ visco, do chịu nhiều biến đổi hóa lý và cơ học nên cấu trúc và trạng thái của xơ xenlulo bị thay đổi nhiều so với ban đầu. Do vậy người ta quy ước gọi loại xơ xenlulo này là hidrat xenlulo. Chiều dài các đại phân tử của hidrat xenlulo luôn nhỏ hơn chiều dài các đại phân tử xenlulo ban đầu. Ví dụ: chiều dài các đại phân tử xenlulo trong xơ visco ngắn hơn khoảng 3 lần so với chiều dài của mạch xenlulo ban đầu. Các biến đổi hóa học của xenlulo trong quá trình sản xuất được thể hiện trong hình 1.7.
Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật
1.6. Ứng dụng của xơ- vải visco
Khi mới xuất hiện, vải visco chỉ được sản xuất trên quy mô nhỏ và được sử dụng chủ yếu cho mục đích trang trí trên sản phẩm may mặc. Ngày nay, xơ- vải visco đã được ứng dụng rộng rãi do có những đặc tính ưu việt tương đồng với xơ bông.
Hình 1.8: Ứng d ng củ xơ - vải visco
Visco filament sản xuất các loại vải bóng, vải crêp (giả tơ tằm), dệt kim, dệt thoi thông thường, …
Visco stapen được pha trộn với các xơ khác (bông, PES, lanh, len) để kéo sợi và trong thành phần sợi pha visco được sử dụng để tăng khả năng hút ẩm, tính vệ sinh, giảm giá thành cho sản phẩm.
Xơ visco có thể được dùng làm vật liệu để gia cường cho cao su hoặc polyme; trong những ứng dụng cần chủ yếu là tính xốp hơn là tính bền
Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật
(như kết dính) có thể sử dụng xơ staple, xơ có chiều dài ngắn hơn xơ visco thông thường.
Dùng xơ visco trong sản xuất sợi kiểu, chỉ may do có độ bóng cao, dễ nhuộm màu.
Vải sản xuất từ xơ visco rất phong phú và đa dạng, được dùng trong nhiều lĩnh vực công nghiệp và dân dụng, dùng trong một số sản phẩm sử dụng nhiều lần hoặc một lần. Là một loại chất liệu vải có đặc tính mềm và độ co giãn tốt. Đặc tính hóa học của nó là thuộc chất xenllulo nên có độ hút ẩm tốt, độ thoáng khí cao, không gây hại cho da. Hiện nay vải visco được rất nhiều các doanh nghiệp sản xuất, kinh doanh hàng may mặc ưa chuộng và tin dùng vì tính năng thoáng mát, hút mồ hôi rất tốt của nó.
Quần áo, tất, khăn với chất liệu vải visco được nhiều người tiêu dùng quan tâm vì khi đi dưới nắng hay nóng bức luôn tạo cảm giác nhẹ nhàng, dễ chịu, không bức bí.
Dùng để may quần áo mặc ngoài, mặc lót, quần áo y tế hoặc may lớp lót ở các loại quần áo cao cấp do có độ hút ẩm, thoáng khí tốt…
Dùng trong trang trí nội thất: khăn trải bàn, chăn, ga, gối, rèm che… Dùng trong công nghiệp: Xơ visco độ bền cao được sử dụng để sản xuất phin lọc, sợi mành, làm vật liệu gia cường cho cao su kỹ thuật (lốp xe, băng tải, dây dẫn).
Dùng trong lĩnh vực y tế: băng, gạc, quần áo y tế.
Hƣớng dẫn sử dụng, bảo quản vải visco:
Do vải visco dễ bị nhàu nên phải là với hơi nước ở mặt trái, nhiệt độ là thích hợp từ 120- 1400C.
Giặt bằng xà phòng thường, không ngâm lâu, tránh dung dịch kiềm nồng độ cao và nước tẩy trắng Javel, không vò, vắt mạnh tay, không sử dụng máy giặt có xoắn.
Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật
Phơi trong bóng râm hoặc ở nơi thoáng khí.
Khi gia công các loại vải dệt từ xơ visco phải chọn thiết bị và công nghệ phù hợp sao cho vải ít bị căng kéo.
Không được sử dụng vải visco chưa qua xử lý ở khách sạn, máy bay do visco dễ cháy, gây hỏa hoạn [3].
1.7. Các nghiên cứu khoa học về xơ visco và xử lý kiềm vải visco
Ngày nay nhu cầu sử dụng vải visco ngày càng tăng do xơ visco có nguồn gốc thiên nhiên, giá thành hợp lý và tính tiện nghi sử dụng, thoải mái khi mặc của loại vải này. Tuy nhiên, một số vấn đề như tính không ổn định cấu trúc vải, sổ lông, hiệu ứng màu sắc không đồng đều sau khi nhuộm và in vẫn có thể xảy ra trong quá trình sản xuât vải visco. Do đó trên thế giới đã có rất nhiều nghiên cứu được thực hiện nhằm tìm ra giải pháp cho những hạn chế của vải visco.
Bahtiyari.M.I và các cộng sự đã nghiên cứu về xử lý kiềm vải visco [7]. Các thí nghiệm được thực hiện trên vải dệt kim, kiểu dệt single. Nghiên cứu nhận định việc xử lý kiềm cho vải visco là rất cần thiết. Sau khi xử lý kiềm, bề mặt vải trở lên mượt mà, mềm mịn, giảm hiện tượng sờn vải. Những tác dụng này được thể hiện trong hình 1.9 và hình 1.10.
Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật
Hình 1.10: Vải visco được nhuộm sau khi xử lý kiềm
Nghiên cứu cho thấy trong quá trình tiền xử lý vải visco sử dụng NaOH (nồng độ 70,7g/l, ở 350C, trong 15 phút) sẽ làm tăng mật độ tinh thể trong cấu